[发明专利]一种用于模拟地下岩石激光掘进的实验装置及方法

权利要求书

1.一种用于模拟地下岩石激光掘进的实验装置，其特征在于，包括岩石应力模拟装置和激光掘进装置，

所述岩石应力模拟装置包括实验平台、左挡板、右挡板、顶梁板、左应力承载板、右应力承载板和顶部应力承载板，左挡板和右挡板分别垂直固定在实验平台两侧，顶梁板两端分别与左挡板顶部和右挡板顶部固定连接，左应力承载板和右应力承载板放置在左挡板和右挡板之间的实验平台上，左应力承载板底部、右应力承载板底部和实验平台表面均为光滑面；左应力承载板通过多个应力加载油缸与左挡板连接、且左应力承载板与左挡板平行；右应力承载板通过多个应力加载油缸与右挡板连接、且右应力承载板与右挡板平行；顶部应力承载板平行设置在左应力承载板和右应力承载板之间的实验平台正上方、且通过多个应力加载油缸与顶梁板下部连接；左应力承载板、右应力承载板、顶部应力承载板和实验平台围成模拟岩石放置空间；在左应力承载板、右应力承载板和顶部应力承载板分别与各个应力加载油缸的连接处均设有一个应力传感器；

所述激光掘进装置包括激光激励装置、推进器、横移及升降装置、掘进头、真空吸碴机；

所述掘进头包括轮转机构、激光头、电震锤、吸碴头和摄像头，轮转机构包括固定轴和旋转圆盘，旋转圆盘装在固定轴上、且能相对固定轴转动，电震锤、吸碴头和摄像头装在固定轴一端，激光头装在旋转圆盘上、且激光头的朝向与摄像头的朝向相同；激光头通过线路与激光激励装置连接，吸碴头通过管路与真空吸碴机连接；摄像头、各个应力加载油缸和各个应力传感器均与计算机连接；

所述推进器装在横移及升降装置上，推进器包括一级推进外框、二级推进外框、三级推进外框、四级推进外框、一级驱动装置、二级驱动装置、三级驱动装置、拉力线和卷线机，一级推进外框、二级推进外框、三级推进外框和四级推进外框由内向外依次嵌套，一级推进外框的伸出端与固定轴另一端连接，一级驱动装置、二级驱动装置和三级驱动装置分别放置在一级推进外框、二级推进外框和三级推进外框内，卷线机固定在四级推进外框外侧；所述一级驱动装置包括动滑轮Ⅰ和弹簧固定座Ⅰ，动滑轮Ⅰ装在弹簧固定座Ⅰ一端，弹簧固定座Ⅰ另一端与一级推进外框内壁固定连接，所述二级驱动装置包括定向滑轮Ⅰ、动滑轮Ⅱ和弹簧固定座Ⅱ，动滑轮Ⅱ装在弹簧固定座Ⅱ一端，弹簧固定座Ⅱ另一端与二级推进外框内壁固定连接，定向滑轮Ⅰ装在二级推进外框内壁上，所述三级驱动装置包括定向滑轮Ⅱ、定向滑轮Ⅲ、动滑轮Ⅲ和弹簧固定座Ⅲ，动滑轮Ⅲ装在弹簧固定座Ⅲ一端，弹簧固定座Ⅲ另一端与三级推进外框内壁固定连接，定向滑轮Ⅱ和定向滑轮Ⅲ并排装在三级推进外框内壁上，拉力线一端与一级推进外框内壁固定连接，拉力线另一端依次经过动滑轮Ⅰ、定向滑轮Ⅰ、动滑轮Ⅱ、定向滑轮Ⅱ、定向滑轮Ⅲ、动滑轮Ⅲ后缠绕在卷线机上；

所述激光激励装置设有启动键和档位调节键。

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟地下岩石激光掘进的实验装置，其特征在于，所述顶部应力承载板包括一级承载板和二级承载板，一级承载板侧部开设凹槽，二级承载板装在凹槽内、且能从凹槽内伸出。

3.一种根据权利要求1或2所述的用于模拟地下岩石激光掘进的实验装置的实验方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤一：确定所需模拟的地下岩层的岩石性质，然后选择相同性质的岩石体放置在模拟岩石放置空间内，且使左应力承载板、右应力承载板和顶部应力承载板分别与岩石体的左部、右部和顶部接触；

步骤二：根据已探测得出的该地下岩层的应力分布情况，通过计算机控制各个应力加载油缸分别对左应力承载板、右应力承载板和顶部应力承载板施加应力加载，进而左应力承载板、右应力承载板和顶部应力承载板对岩石体施加模拟应力加载；各个应力加载油缸上的应力传感器实时将检测的压力值传递给计算机，达到所需的模拟应力加载时计算机控制各个应力加载油缸保持各自的应力加载值，完成模拟地下岩层应力分布情况；

步骤三：将推进器先处于完全缩回状态，此时卷线机使拉力线处于最大拉力值，一级推进外框处于二级推进外框内，二级推进外框处于三级推进外框内，三级推进外框处于四级推进外框内，且弹簧固定座Ⅰ、弹簧固定座Ⅱ和弹簧固定座Ⅲ均处于最大压缩量；在岩石体上设定起始点及掘进隧道的截面形状，控制横移及升降装置的升降及横移和旋转圆盘的旋转将掘进头靠近岩石体，并通过摄像头观察掘进头移动情况使激光头对准起始点，完成掘进头对准过程；

步骤四：通过启动键开启激光激励装置，并根据岩石体的强度控制档位调节键调节激光的强度，激光从激光头发出到达起始点，对该处的岩石进行致裂；然后根据掘进隧道的截面形状，实时调整横移及升降装置的升降及横移和旋转圆盘的旋转，使激光头从起始点沿着掘进隧道的截面形状轮廓匀速移动，直至激光头重新对准起始点，完成一次掘进隧道的截面形状的致裂过程；然后继续使激光头沿着掘进隧道的截面形状轮廓匀速移动，循环多次后，停止激光激励装置产生激光；启动电震锤对岩石体进行震动，使得截面形状轮廓内的岩块从岩石体上脱落，同时开启真空吸碴机，通过吸碴头将脱落的岩块经过管路吸入到真空吸碴机内，用于后续对脱落岩块的分析处理；此时完成一次岩石体的隧道掘进工作；

步骤五：控制卷线机释放部分长度拉力线，此时由于拉力线的拉力值小于弹簧固定座Ⅰ、弹簧固定座Ⅱ和弹簧固定座Ⅲ的弹簧应变力，各个弹簧固定座部分伸展，从而带动一级推进外框、二级推进外框和三级推进外框向掘进方向伸出，使掘进头靠近完成一次隧道掘进的岩石体；重复一次步骤四，再完成一次岩石体的隧道掘进工作；

步骤六：多次重复步骤五，直至完成整个隧道的掘进工作；

步骤七：整个隧道掘进过程中，各个应力传感器实时将检测的应力值传递给计算机，最终计算机根据各个应力传感器检测的应力变化数据，得出隧道掘进过程中岩石体的应力分布及变化情况。